specifik dragkraft

ALLMÄN FLYGMOTORTEORI
MTM 461
2006-01-17 – 2006-03-09
•
Innehållsförteckning
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Sidan: 1
•
Introduktion
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Sidan: 2
Sidan: 3
•
Grundläggande flygmotorteori
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Det här kapitlet handlar om att praktiskt förstå de
grundläggande fysikaliska egenskaper som uppstår i
en flygmotor under kontinuerlig drift med avseende
på tryck -,temperatur –och hastighet. Samt att genom
olika ekvationer kunna härleda och förstå olika
samband som är nödvändig att övergreppa för att
t.ex. kunna utföra olika typer av felsökningar.
Sidan: 4
•
Flygområdesdiagram
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Atmosfären påverkar en turbinmotor helt väsäntligt, atmosfärens statiska tryck här högst på havsytan ( 1013.25 mb )
och sjunker ju högre upp vi kommer. Tryckfallet kan ses som linjär från havsnivån till yttre atmosfärslagret då
rymden eller vacuum uppstår där statiska trycket är noll. Atmosfärens temperatur sjunker linjärt till en bestämd höjd
och ligger i praktiken på samma temperatur till en högre höjd då den plötsligt stiger i temperatur för att sedan sjunka
och senare i rymden vara kring absoluta fryspunkten.
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Sidan: 5
Sidan: 6
•
• Vad är reaktionskraft
Är den kraft som verkar FRAMÅT i färdriktningen!
REAKTIONSKRAFT
•Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Sidan: 7
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
• Vad är aktionskraft
Är den kraft som verkar BAKÅT i färdriktningen!
AKTIONSKRAFT
Sidan: 8
Newtons tredje aktionslag!
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Mot varje verkande kraft rör sig en lika stor motverkande kraft.
AKTIONSKRAFT
REAKTIONSKRAFT
Sidan: 9
•
Överföring av dragkraft
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Flygmotorn alstrar en framåtriktad dragkraft i kompressorn och en bakåtriktad kraft i utlopps delen. Hur detta ligger
till skall vi förklara närmare längre fram. När en flygmotor producerar en lika stor kraft framåt som bakåt, producerar
inte motorn en sådan dragande energi att den kan nyttjas under flygning, ( så är fallet när motorn går på tomgång eller
som ofta benämns ”Ground Idle ”.
När flygmotorns pådrag ökas, ökas samtidigt dess dragkraft framåt och vi får en större framåtriktad kraft
( reaktionskraft ) än bakåtriktad kraft ( aktionskraft ). Överskottet av framåtriktad kraft vill få flygplanet att röra sig
framåt i kraftriktningen. Den framåtriktade kraften trycker motorn framåt i dess motorfästen och kraften överförs från
motor till övrig flygplankonstruktion genom dess motorfästen.
Sidan: 10
•
Acceleration av luftmassa
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Turbojetmotorn ger en relativt
liten luftmassa en stor
acceleration.
Kallas för!
VARMSTRÅLE PRINCIPEN
Sidan: 11
•
Acceleration av luftmassa
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Propellermotorn ger en relativt
stor luftmassa en liten
acceleration.
Kallas för!
KALLSTRÅLE PRINCIPEN
Sidan: 12
•
Enkel reaktionsmotor
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
En ballong kan beskrivas som en reaktionsmotor.
Luft är påfyllt i dess kropp som utövar ett konstant
statiskt tryck runt hela dess yta. Om en del av
ballongen öppnas med en liten öppnings area
kommer luften att strömma med ut med hög
hastighet. Hög hastighet ger ett lågt statiskt tryck,
mindre än det statiska trycket inuti ballongen.
Ballongens statiska tryck kommer att pressa
ballongen framåt eftersom trycket framåt är större än
trycket bakåt. Hastighetsökningen i utlopps
munstycket kallas för expansion.
Sidan: 13
•
Olika typer av flygmotorer
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
RADIALKOMPRESSORMOTORN
Består enkelt av tre stycken byggenheter
1. Kompressor
2. Brännkammare
3. Turbin
Sidan: 14
•Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
•
Olika typer av flygmotorer
•
TURBOPROPELLERMOTORN
Består enkelt av fem stycken byggenheter
1. Propeller
2. Reduktionsväxel
3. Kompressor
4. Brännkammare
5. Turbin
Sidan: 15
•Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
•
Olika typer av flygmotorer
•
TURBOPROPELLERMOTORN MED
FRITURBIN (POWER TURBINE)
Består enkelt av sex stycken byggenheter
1. Propeller
2. Reduktionsväxel
3. Kompressor
4. Brännkammare
5. Kompressor Turbin
6. Fri turbin ( power turbine )
Sidan: 16
•
Olika typer av flygmotorer
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
DUBBELROTORMOTORN MED
LÅGT ”BY-PASS”
Består enkelt av sex stycken byggenheter
1. Fläkt med lågtryckskompressor
2. Högtryckskompressor
3. Brännkammare
4. Högtrycksturbin
5. Lågtrycksturbin
6. Utloppsdel
Sidan: 17
•Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
•
Olika typer av flygmotorer
•
DUBBELROTORMOTORN MED HÖGT
”BY-PASS”
Består enkelt av åtta stycken byggenheter
1. Fläkt
2. Reduktionsväxel
3. Lågtryckskompressor
4. Högtryckskompressor (centrifugal)
5. Brännkammare
6. Högtrycksturbin
7. Lågtrycksturbin
8. Utloppsdel
Sidan: 18
•
STRÖMMNING I OLIKA KANALER
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
De strömningstvärsnitt som luften (gasen) passerar på sin väg genom motorn har utformats med hänsyn till de
energiomvandlingar som sker i motorn. I kompressorn skall luftens tryck ökas men däremot inte hastigheten ( skall
bibehållas över hela kompressorn ). I brännkammaren skall trycket ökas ytterligare genom förbränning. I turbinen
skall gasen expanderas genom att gas hastigheten ökas.
Sidan: 19
•
STRÖMMNING GENOM EN
DIVERGERANDE KANAL
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Om gas passerar genom en kanal med en area
förändring från mindre till större kommer gas
hastigheten att minska beroende på att större mängd
gas molekyler fördelas på en större yta, det medför i
sin tur att det statiska trycket kommer att öka.
Samtidigt när gas hastigheten minskar och statiska
trycket ökar ökar även temperaturen på grund av att
statiska trycket ökar.
Den här konstruktionsutformningen har t.ex en
luftfördelare där det är av största intresse att få en
lägre gas hastighet och samtidigt ett högre statiskt
tryck.
Sidan: 20
•
STRÖMMNING GENOM EN
KONVERGERANDE KANAL
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Om gas passerar genom en kanal med en area
förändring från större till mindre kommer gas
hastigheten att öka beroende på att mindre mängd
gas molekyler fördelas på en mindre yta, det medför i
sin tur att det statiska trycket kommer att minska.
Samtidigt när gas hastigheten ökar och statiska
trycket minskar, minskar även temperaturen på grund
av att statiska trycket minskar.
Den här konstruktionsutformningen har t.ex. ett
utlopps munstycke, där det är av största intresse att få
en så hög hastighet som möjligt på gas massan.
Sidan: 21
•
FLYGMOTORNS ARBETSSÄTT
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Oavsätt vad det handlar om för förbränningsmotor
indelas en motor i följande tre grundenheter!
C. Kompressor
Q. Brännkammare
T. Turbin
Sidan: 22
•
STATIONSINDELNING
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
En flygmotor är indelat i ett stationsindelningssystem. Systemet
har till uppgift att vid olika byggenheter visa olika referenser i
gas flöde – gas tryck och gas temperatur.
Stationsindelningssystemet nyttjas bland annat till att vid givna
stationer kunna mäta ett specifikt värde som sedan jämförs med
ett annat värde, bland annat vid felsökning.
STATIONSINDELNING ENLIGT BILD!
0. Upstream ( luftflöde till motorn)
1. Air intake (luftflöde i motorns inlopp)
2. Compressor outlet (luftflöde i kompressorns
3. Turbine inlet (flöde i turbinens inlopp)
4. Turbine outlet (flöde i turbinens utlopp)
(utlopp)
Sidan: 23
•
ALLMÄN DRIFTS PRINCIP
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Kompression – Kompressorn ( C ) skall komprimera
luftmassan (öka statiska trycket) av tillförd gas massa
(G).
Förbränning – Luften (G) som komprimeras i ( C )
blandas i brännkammaren (Q) med bränsle, (till en
blandning av ca 15/1 ) och förbränns. I förbränningen
expanderas luft-bränsle massan.
Expansion- I turbinen (T) expanderas gas massan
från brännkammaren (Q) genom area fördelning.
Turbinen driver kompressorn. Gas massan
expanderas ytterligare i utloppsdelen.
Sidan: 24
•
PROCESS DIAGRAM
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Kompression- Gas massans Tryck och Temperatur
ökar medan volymen minskar.
Förbränning- Gas massans Volym ökar genom
förbränningen och Temperaturen ökar genom att
bränsle tillförs. Gas massans hastighet sjunker.
Expansion- Gas massan avger energi (mekaniskt
arbete) genom att driva kompressorn. Gas massans
Temperatur och Statiska tryck sjunker medans
volymen ökar ( expansion ).
Sidan: 25
•
JÄMFÖRELSE MELLAN
KOLVMOTORN OCH
TURBINMOTORNS ARBETSPROCESS
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
En turbomotors arbetscykel kan liknas vid
arbetscykeln för en fyrtakts kolvmotor. Vissa
fundamentala skillnader finns dock.
I en Turbinmotor- Är arbetsprocessen kontinuerlig
I en kolvmotor-Är arbetsprocessen intermittent
Sidan: 26
•
GASTURBINMOTORNS
STRUKTUR (BYGGENHETER)
Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Gasturbinmotorer har en både primär och en
sekundär struktur.
Den primära strukturen har till uppgift att göra
motorn till en integrerad enhet, att bilda infästningar
för motorns olika lager och externa komponenter
samt att överföra motorns dragkraft till luftfartyget.
Sidan: 27
BYGGENHETER MOTOR RM8B
•Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Sidan: 28
BYGGENHETER MOTOR PT6-41/42
•Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
Sidan: 29
STATIONSINDELNING
•Ref: Part-66 / 15:1 Fundamentals, Level 2/B1
•
Tryckets variation i en turbojetmotor, vid
stillastående flygplan
Sidan: 30
•
Tryck, Temp och Gashastighet
genom en gasturbinmotor
Sidan: 31
•
DIAGRAM ÖVER VARIATIONERNA
TEMPERATUR-,STATISKT TRYCK
OCH GASHASTIGHET I MOTORN
Sidan: 32
•
KOMPRESSOR KARAKTERISTIK
Compression ratio / kompressortryckförhållande P2/P1
Är medelvärdet på trycket efter kompressorn ( P2
dividerat med trycket före kompressorn ( P1 ).
Air flow / Luftflöde ( G )
Är den mängd luft som flödar från inloppet till
kompressorn och mäts i Kg / s.
Mechanical power / Mekaniskt arbete ( W )
Är det arbete turbinen presterar för att driva
kompressorn, arbetet mäts i Newton.
Sidan: 33
•
KOMPRESSOR KARAKTERISTIK
Den huvudsakliga kompressorkarakteristiken
illustreras i ett diagram där
kompressortryckförhållandet som funktion av
luftflödet visas.
Sidan: 34
TURBOJETMOTORNS PRESTANDA
Med en turbojetmotors prestanda avses i första hand värdena på de egenskaper hos motorn som är av
primärt intresse för motorns användning i flygplanet. Dessa egenskaper är:
DRAGKRAFTEN
SPECIFIKA BRÄNSLEFÖRBRUKNINGEN
LUFTFLÖDET
De nämnda egenskaperna påverkas av Flyghöjden och Flyg mach talet och atmosfärsförhållandena
Sidan: 35
•
TURBOJETMOTORNS PRESTANDA
Om hastighetsändringen det vill säga
skillnaden mellan ut och
inloppshastigheten sätts in i det
matematiska sambandet tillsammans med
massflödet per tidsenhet genom motorn
erhålles summan av de krafter som verkar
och därmed också värdet på motorns
dragkraft.
I turbojetmotorn representerar luftflödet
genom motorn massan och accelerationen
skillnaden mellan gasens utloppshastighet
och flyghastighet.
Sidan: 36
•
TURBOJETMOTORNS PRESTANDA
Reaktionsverkan
Reaktionsverkan av de krafter som åstadkommer hastighetsändringen hos luftflödet (L) genom motorn uppträder som
tryckkrafter på olika delar inuti motorn ( kompressor-,diffusor-och brännkammare), framåtriktade krafter.
Deltrycken och de ytor som de verkar på bestämmer hur stora tryckkrafterna är i motorn.
När det statiska trycket i utloppsmunstycket på grund av underexpansion överstiger omgivningstrycket bidrar även
detta till tryckkrafterna som verkar på motorn.
När luften passerar genom motorn utsätts den för ändringar i Tryck-,Hastighet-och Temperatur. I vissa partier av
motorn bromsas luften upp vilket innebär att kinetisk energi omvandlas till tryckenergi,
Omvandling till tryckenergi medför framåtriktade krafter. Omvandling till kinetisk energi ger bakåtriktade
krafter.
Dragkraften anges som bruttodragkraft och nettodragkraft.
Sidan: 37
•
Bruttodragkraft
Bruttodragkraften är inte beroende av
flyghastigheten men däremot av tillståndet i
motorns utlopp och av atmosfärstrycket.
Bruttodragkraften har stor praktisk användning
vid studier av motorprestanda.
Sidan: 38
•
Nettodragkraft
Nettodragkraften härrör från
hastighetsökningen av luften samt
den statiska tryckskillnaden som
råder i utloppsdelen.
Nettodragkraften nyttjas vid
kalkylering av dragkraft under
flygning. Grundläggande vid
kalkylering av nettodragkraft är att
framdrivningshastigheten
subtraheras med bruttodragkraften,
Sidan: 39
•
TURBOJETMOTORNS PRESTANDA
För att kunna beräkna både Nettodragkraften och
Bruttodragkraften måste först några
fundamentala matematiska begrepp beräknas.
Gasflödet genom motorn omfattar dels luftflödet
(L) minskat med delta L som tappas av för bland
annat kylning och dels det tillförda bränsleflödet
B.
Sidan: 40
•
SPECIFIK DRAGKRAFT
Ett användbart mått på dragkraften vid
jämförelser mellan olika motor typer är specifika
dragkraften. Specifika dragkraften är ett kvalitets
tal oberoende av motorstorleken.
Sidan: 41
•
DRAGKRAFT
Newtons andra lag (accelerationslagen) anger
dragkraftens storlek och lyder:
Accelerationen är proportionell mot den
verkande kraften och riktad längs den räta
linje i vilken kraften verkar
•
F=mxa
(N)
F = kraften i N
m = massan i kg
a = accelerationen i m/s
Sidan: 42
•
SPECIFIK BRÄNSLEFÖRBRUKNING
Ett mått på motorns bränsleekonomi är den specifika
bränsleförbrukningen. Denna liksom specifika
dragkraften är ett kvalitets tal som är oberoende av
motor typ och motorstorlek. Specifika
bränsleförbrukningen erhålles ur ekvationen här
bredvid. Den specifika bränsleförbrukningen är alltså
den mängd bränsle som motorn fordrar för att ge en
dragkraft av 1 N per sekund.
Sidan: 43
•
FRAMDRIVNINGSEFFEKTER
Kan användas för att jämföra ett jetmotordrivet
luftfartyg med ett som är kolvmotordrivet.
Förutsättningen är att propellerns verkningsgrad ej
går mot noll på grund av för hög flyghastighet.
Framdrivningseffekten kan oavsett om motorn är en
drivaxelmotor eller en reaktionsmotor definieras
enligt ekvationen bredvid.
Sidan: 44
•
FRAMDRIVNINGSEFFEKTER
Framdrivningseffekten för en propeller eller
rotorförsedd drivaxelmotor är inte densamma som
motorns axeleffekt. Motorn måste leverera en
axeleffekt som är större än framdrivningseffekten
beroende på propellerns verkningsgrad.
Axeleffekten erhålles enligt ekvationen bredvid.
Sidan: 45
•
SPECIFIK BRÄNSLEFÖRBRUKNING
För att motorn skall få en låg specifik
bränsleförbrukning ( kg bränsle/N dragkraft och
timme) erfordras bland annat ett högt
tryckförhållande och rätt inpassad
turbininloppstemperatur.
Sidan: 46
•
SPECIFIK DRAGKRAFT SOM FUNKTION AV
SPECIFIKA BRÄNSLEFÖRBRUKNINGEN
Diagrammet visar att den högsta specifika
dragkraften vid ett givet värde på T erhålles vid ett
lågt kompressortryck förhållande än vid ett högt.
Hög specifik dragkraft måste betalas genom hög
specifik bränsleförbrukning.
Sidan: 47
•
ATMOSFÄRENS VISKOSITET
Luft liksom vätskor är mera trögflutna än andra.
Trögflutenheten är beroende av temperaturen hos det
strömmande mediet. Den fysikaliska storhet som
karakteriserar denna egenskap hos en vätska eller gas
kallas för VISKOSITETEN.
För en vätska minskar i allmänhet viskositeten med
ökande temperatur vilket innebär att vätskan blir
mera lättfluten och friktionen mindre.
För gaser förhåller det sig tvärtom. När temperaturen
ökar, ökar också viskositeten. Friktionen i gasen ökar
vid ökande temperatur.
Sidan: 48
•
•
ATMOSFÄRENS VISKOSITET
Reinolds tal (Re)
När luften är i rörelse är det förutom luftens
hastighet två egenskaper som har betydelse
för strömningsförloppet nämligen
DENSITET och VISKOSITET.
Strömningsförloppet styrs av de krafter som
uppstår och dessa är av två slag:
TRÖGHETSKRAFTER: som bestäms av
acceleration och massa.
VISKÖSA KRAFTER: som styrs av luftens
viskositet och hastighet.
Sidan: 49
•
REYNOLDS TAL BEROENDE AV
FLYGHÖJD OCH HASTIGHET
I första hand är det densitetens minskning med
ökande höjd som gör att Re minskar. Upp till 10 km
är minskningen obetydlig men på högre höjder
arbetar motorn med betydligt sämre verkningsgrad
än vid marknivå.
Sidan: 50
•
NORMALISERING AV PRESTANDA
Varje ändring av tillståndet hos den luft som
strömmar in i motorn orsakar en ändring av motorns
prestanda.
För att kunna jämföra provresultat från prov i statisk
provbock krävs enligt de så kallade likformighets
lagarna att två driftsfall (a och b ) med samma motor
skall ha följande samstämda villkor:
Rea=Reb och Ma = Mb
I varje punkt av strömning i motorn.
Bilden visar hur en kompressorskovels
verkningsgrad påverkas av Re.
Sidan: 52
•
NORMALISERING AV PRESTANDA
För att kunna beräkna en motors prestanda krävs
referensdata från en tidigare motorkontroll.
Referensvärden som nyttjas är värden Lufttryck
och Luft temperatur i enlighet med
standardatmosfärens bestämda värden.
Även normaliserade luftflöden krävs, dessa data
lämnas av tillverkaren av motorn.
Ekvationen bredvid beskriver normalisering av
atmosfärens tryck.
Sidan: 53
•
NORMALISERING AV PRESTANDA
För att kunna beräkna en motors prestanda krävs
referensdata från en tidigare motorkontroll.
Referensvärden som nyttjas är värden Lufttryck
och Luft temperatur i enlighet med
standardatmosfärens bestämda värden.
Även normaliserade luftflöden krävs, dessa data
lämnas av tillverkaren av motorn.
Ekvationen bredvid beskriver normalisering av
atmosfärens temperatur .
Sidan: 53
•
NORMALISERING AV PRESTANDA
För att kunna beräkna en motors prestanda krävs
referensdata från en tidigare motorkontroll.
Referensvärden som nyttjas är värden Lufttryck
och Luft temperatur i enlighet med
standardatmosfärens bestämda värden.
Även normaliserade luftflöden krävs, dessa data
lämnas av tillverkaren av motorn.
Ekvationen bredvid beskriver normalisering av
rådande luftflöde.
Sidan: 54
•
NORMALISERING AV PRESTANDA
För att kunna beräkna en motors prestanda krävs
referensdata från en tidigare motorkontroll.
Referensvärden som nyttjas är värden Lufttryck
och Luft temperatur i enlighet med
standardatmosfärens bestämda värden.
Även normaliserade luftflöden krävs, dessa data
lämnas av tillverkaren av motorn.
Ekvationen bredvid beskriver normalisering av
rådande varvtal .
Sidan: 55
•
NORMALISERING AV PRESTANDA
För att kunna beräkna en motors prestanda krävs
referensdata från en tidigare motorkontroll.
Referensvärden som nyttjas är värden Lufttryck
och Luft temperatur i enlighet med
standardatmosfärens bestämda värden.
Även normaliserade luftflöden krävs, dessa data
lämnas av tillverkaren av motorn.
Ekvationen bredvid beskriver normalisering av
rådande dragkraft .